不同循环比对氧化沟脱氮除磷效果影响与微生物量分析

焦 超，于静洁，苏凡凯，孙力平(. 天津城建大学 a. 环境与市政工程学院；b. 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384；. 成都军区建筑设计研究院 昆明分院，昆明 65000)



不同循环比对氧化沟脱氮除磷效果影响与微生物量分析

焦 超1，于静洁1，苏凡凯2，孙力平1
(1. 天津城建大学 a. 环境与市政工程学院；b. 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384；2. 成都军区建筑设计研究院 昆明分院，昆明 650200)

摘要：改良型氧化沟工艺通过在循环廊道内增设缓流板来调控循环比，以此调节好氧区向缺氧区回流的混合液，进而改善系统的脱氮除磷效果．对比研究了氧化沟循环廊道内增设缓流板前后，循环比分别为241和27时，系统内自养硝化菌、传统异养反硝化菌、聚磷菌(好氧聚磷菌及缺氧反硝化聚磷菌)和普通异养菌所占的比例．分析结果表明：循环比为241时，系统中微生物以聚磷菌和普通异氧菌为主，占所有菌群比例分别为44.65%,和32.78%,，此时缺氧反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例为24.12%,；循环比为27时，系统中微生物以聚磷菌为主，所占比例为77.36%,，此时缺氧反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例为48.90%,．

关 键 词：氧化沟；循环比；微生物；脱氮除磷

氧化沟具有处理效果稳定、操作管理方便等优点，国内外很多污水处理厂选用氧化沟作为生化处理构筑物[1]．自1954年第一座Pasveer氧化沟问世以来，其工艺的设计、运行及管理不断更新．目前的氧化沟一般将曝气方式、污泥龄、污泥浓度、C/N、水力停留时间等作为工艺的运行参数[2-4]，但是鲜有将循环比(氧化沟廊道断面通过的循环流量与进水流量的比值)作为运行调控参数．对于像改良微孔Carrousel内部廊道设有好氧区和缺氧区的氧化沟，并没有任何方式来控制好氧区向缺氧区的混合液回流量，此时混合液回流比就等于循环廊道的循环比．循环比在改变氧化沟内混合液流态的同时，也对DO的分布产生了影响，进而对系统脱氮除磷能力有所改善．

目前已建氧化沟(内部廊道设有好氧区和缺氧区)工艺循环比可相差十几至数十倍，混合液回流量差异很大，这将对氧化沟工艺的除污能力产生影响[5].本研究在氧化沟循环廊道内添加缓流板，通过改变缓流板过流断面大小来控制循环比，从而改善系统的出水水质．在活性污泥处理工艺中，系统内各微生物群种所占比例的多少会直接影响到工艺系统的出水水质．因此，文中比较了增设缓流板前后，循环比为241和27时，氧化沟内自养硝化菌、传统异养反硝化菌、聚磷菌(好氧聚磷菌及缺氧反硝化聚磷菌)和普通异养菌所占比例的差异，以此评估不同循环比下，氧化沟系统内各菌群所占比例的变化对系统脱氮除磷效率的影响．

1 氧化沟工艺的运行

1.1 试验装置

改良型循环比可调式氧化沟试验装置总体积为0.1,m3，沉淀池体积0.023 6,m3．该装置前部设置三个厌氧区；主反应区由6个可循环流动的廊道组成，其中缺氧区为1-4廊道、好氧区为5-6廊道，其结构如图1所示(工况二，加缓流板)．为调控循环比，在循环廊道内好氧1区和缺氧1区起始端增加缓流板，以保证缓流板之间是同一功能反应区．

图1　改良型氧化沟装置示意

1.2 试验水质

为了排除进水水质波动对系统去除污染物的影响，本试验用水采用人工配水．碳源由葡萄糖、淀粉、乙酸钠和蛋白胨提供，氮源由NH4Cl提供，磷源由KH2PO4提供，各污染物浓度见表1．

表1　配水浓度

1.3 试验运行条件

系统连续运行，采用某城镇污水处理厂的回流污泥作为种泥．设定工况一和工况二，运行参数如表2所示．

表2　工况一、二的运行参数

工况一无缓流板，好氧廊道起端采用点状微孔曝气供氧；两种工况下，主反应区廊道内溶解氧浓度梯度分布基本一致，由此可知，在工况一、工况二的主要调控参数HRT、SRT、MLSS、污泥回流比、容积负荷保持一致的情况下，可以认为两种工况下氮转化途径及处理效果的不同，仅是由是否添加缓流板改变循环比造成的．

1.4 分析指标与测定方法

本试验水质指标的检测均采用国家标准方法[6]，具体见表3．

表3　进、出水水质分析项目与测定方法

2 两种工况下氧化沟进、出水水质对比

每个工况下系统培养期为25,d左右，培养末期对系统活性污泥进行显微镜观察，发现大量钟虫，说明系统运行稳定．在此期间，对进、出水水质进行定期检测，如表4所示．

表4　两种工况下氧化沟进、出水水质对比

由表4可知：系统运行稳定后，工况二相较于工况一，系统出水的TP、TN浓度都明显下降，而平均去除率都显著提高；工况一相较于工况二，COD的浓度及平均去除率变化不明显．上述结果表明，调控氧化沟廊道循环比能有效提高系统的脱氮除磷能力，而对COD的去除效果影响较小．

3 不同循环比下系统内微生物量分析

氧化沟内，不同区域的工艺条件不同，各区域起主导作用的功能菌群也不同，因此各区域发生的生化反应也不相同．表5列出了各反应区域发生的生化反应及主导微生物．

3.1 工况一下系统内微生物量估测

改良型氧化沟进水量Qin为240,L/d，工况一(不加缓流板，循环比为241时)下挥发性悬浮固体浓度Xv为3,323,mg/L，剩余污泥排放量Qex为8,L/d．各水质指标见表6．

表5　反应区域各类微生物发生的主要反应

表6　工况一进出水氮污染物浓度

3.1.1 厌氧区

在厌氧区内异养反硝化菌以回流污泥所携带的NO3

-为电子受体，以进水有机物为电子供体进行反硝化脱氮，使用C18,H19O9N作为基质分子式[9]，根据下列反应式：得出硝态氮和微生物的化学计量学关系为，即每去除1,g NO3-就会产生1.78,g微生物量．

以下计算中出现的M表示质量，Q表示流量，C表示浓度．

厌氧区传统反硝化去除的氮量由下式求得：

则在厌氧区异养反硝化菌的增值量为

3.1.2 沉淀池

由于沉淀池底部也有反硝化作用的发生，因此在沉淀池底部有一部分传统异养反硝化菌的生长，则沉淀池消耗的氮量为

传统异养反硝化菌增长繁殖量为

3.1.3 主反应区

在主反应区主要发生的反应有好氧吸磷、反硝化脱氮吸磷、传统反硝化脱氮、硝化反应，而反硝化作用消耗的NOx-量为626,mg/d[10]，那么主反应区内异养反硝化的增长量MDHO,G3为1,114.28,mg/d．

在缺氧条件下，反硝化聚磷菌吸收磷酸盐合成聚合磷酸盐[11]：

在好氧条件下，好氧聚磷菌吸收磷酸盐合成聚合磷酸盐[9]：

根据式(6)和(7)可以看出，在好氧和缺氧吸磷过程中，PHA-COD和微生物量之间的关系为，即每消耗1,g COD就会产生0.28,g微生物量．

在主反应区内存在反硝化除磷和好氧除磷两种过程，且除磷量分别为10,224.85,mg/d和32,167.31 mg/d[11]．因此，在主反应区内聚磷菌的增长量为

硝化菌的增长量可以通过ASMs模型中自养菌产率YA的推荐值(0.24,mg(COD)/mg(N))[12]与主反应区内氨氮的去除量乘积来表示，即主反应区内硝化菌的增长量为

主反应区内普通异养菌的增长量为

增长污泥各菌种所占比例见表7．

表7　工况一增长污泥各菌种所占比例

污泥培养驯化是一个逐步有序的过程，微生物种群结构随系统运行参数的变化而调整．研究者们曾指出，改变运行参数时，活性污泥系统至少要培养2个污泥龄，方能达到稳定[13]．经过2个污泥龄的培养期，系统内各微生物种群所占的比例应与每日增长的污泥各菌种所占比例接近．由表7可以看出：在不加缓流板、循环比为241时，系统中微生物以聚磷菌和普通异氧菌为主，所占的比例分别为44.65%,和32.78%,，其中缺氧反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例为24.12%,．

3.2 工况二下系统内微生物量估测

工况二条件下(增设缓流板，循环比为27时)挥发性悬浮固体浓度Xv为3,071,mg/L，剩余污泥排放量Qex为8,L/d．各水质指标见表8，分析结果见表9．

表8　工况二进出水氮污染物浓度

表9　工况二增长污泥各菌种所占比例

由表9可以看出：在增设缓流板、循环比为27时，系统中微生物以聚磷菌为主，所占比例为77.36%,，其中缺氧反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例为48.90%,．

3.3 两种工况下系统内微生物量及处理效果对比分析

由两种工况下试验及分析结果对比可以看出：工况二(循环比为27)较工况一(循环比为241)条件下系统内普通异养菌所占比例减少，这样用于普通异养菌生长消耗的有机物减少，而用于合成PHA的有机物增多，有利于聚磷菌的富集；从表7、表9数据可知，工况二下聚磷菌所占比例明显高于工况一的，工况二下系统内的传统异氧反硝化菌所占的比例由工况一时的15.13%,降至9.54%,，同时缺氧反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例也明显增大，说明增加缓流板后(循环比为27时)更有利于缺氧反硝化聚磷菌的富集．缺氧反硝化聚磷菌能够利用体内贮存的PHA，将水中的磷吸收到体内，同时将NO3-还原为N2而去除，有效地实现一碳两用，从而使工况二下系统脱氮除磷效果更好．

综上可知，工况二下循环廊道内增设了缓流板，减少了好氧区向缺氧区的混合液回流量，延长了混合液在好氧区和缺氧区交替流动的时间间隔，促进了缺氧反硝化反应、反硝化除磷反应、好氧硝化反应和好氧吸磷反应，从而有助于聚磷菌及反硝化聚磷菌的富集，最终提高了系统的脱氮除磷效果．

4 结 论

本文对比了氧化沟循环廊道内增设缓流板前后系统内微生物量的变化，得出以下结论：

(1)在工况一(循环比为241时)下，系统中以聚磷菌和普通异养菌为主，COD有较大一部分用于普通异养菌生长，脱氮效果较差；

(2)在工况二(循环比为27)下，普通异养菌比例减少，聚磷菌比例增多，同时缺氧反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例由工况一时的24.12%,提高到48.90%,，这有助于提高反硝化吸磷量，同时也有助于提高氧化沟系统的同步脱氮除磷效果，实现了一碳两用．

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The Effect Analysis of Different Recirculation Ratios on Nutrient Removal and Microbial Biomass Analysis in Oxidation Ditch

JIAO Chao1，YU Jingjie1，SU Fankai2，SUN Liping1
(1a. School of Environmental and Municipal Engineering；1b. Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology，TCU，Tianjin 300384，China；2．Region-Kunming Branch，Architectural Design and Research Institute of Chengdu Military ，Kunming 650200，China)

Abstract：The recirculation ratio was regulated by installing flashboard in circulation compartment section in order to control mixed liquor refluxing from aerobic zone to anoxic zone and improve the nutrients removal efficiencies in the modified oxidation ditch. This paper, when the recirculation ratios were 241 and 27 respectively, examines the situation before and after installing flashboard in circulation compartment section, including the proportions level of autotrophic nitrifying bacte-

ria, traditional denitrification heterotrophic organisms, phosphate accumulating organisms(aerobic phosphate accumulating organisms and anoxic denitrifying phosphate accumulating organisms ) and ordinary heterotrophic organisms in this system. The results showed that, when the recirculation ratio was 241, the microorganism in the treatment system were mainly phosphate accumulating organisms and ordinary heterotrophic organisms, which accounted for 44.65% and 32.78% of the whole flora respectively, and the anoxic denitrifying phosphate accumulating organisms accounted for 24.12% of the total phosphate accumulating organisms. When the recirculation was 27, the main microorganism were phosphate accumulating organisms, and the proportions were 77.36% in the whole flora, and the anoxic denitrifying phosphate accumulating organisms accounted for 48.90% of the total phosphate accumulating organisms.

Key words：oxidation ditch；recirculation ratio；microorganism；nitrogen and phosphorus removal

通讯作者：于静洁（1978—），女，教授，博士，从事水污染控制的研究．E-mail：yjj.mary@163.com

作者简介：焦 超（1988—），男，河北邯郸人，天津城建大学硕士生.

基金项目：国家自然科学基金(51108299)；天津市自然科学基金(10JCYBJC05300)

收稿日期：2015-03-09；

修订日期：2015-07-06

中图分类号：X703

文献标志码：A

文章编号：2095-719X(2016)01-0027-06